TD-LTE系统同频干扰和组网方案的研究与应用.doc

TD-LTE系统同频干扰和组网方案的研究与应用摘要 从2011年至今，运营商在全国重点城市开展了TD-LTE规模试验，对关键的网络功能、网络性能及端到端支持能力进行深入的测试验证。由于TD-LTE在我国尚处于试验阶段，商用频段并不明确，由此造成其组网方案存在多种可能性，其中同频组网方式是规模试验阶段重点验证的关键技术。如何全面地评估同频组网的性能，是TD-LTE发展的重点问题。与2G,3G等移动通信系统相比，TD-LTE的OFDM, MIMO等关键技术给TD-LTE的干扰特性带来很多新的变化;同时随着TD-LTE频谱资源的发放，在组网方式上也存在多种选择方案。随着技术的不断深入及应用条件越来越成熟，TD-LTE已经由最初的标准提出、系统开发、概念验证阶段进入到了整网性能验证、组网技术研究的新时一期。 本文围绕TD-LTE系统同频干扰特性及解决及解决方案、同频组网中各信道干扰分析仿真和解决方案，以及同频组网、异频组网和移频组网方案的特点、适用场景和组网应用建议进行了研究与验证: 本文通过对TD-LTE帧结构的分析，对目前TD-LTE系统存在的干扰进行了归类，并着重研究了TD-LTE系统同频干扰特性，提出了干扰随机化、干扰抑制和干扰避免的集中抗同频干扰解决方案。通过对TD-LTE同频组网中针对不同物理控制信道分别进行了研究，分析了各物理控制信道的帧结构、码序列特征，给出了各控制信道同频干扰下的仿真结果，对其解调门限和检测成功率进行了分析，并列举了可能造成控制信道同频组网受限的几点因素;通过业务信道同频组网对数据、导频的干扰的研究，归纳了实现业务信道同频组网的几种主要方案，如ICIC机制、功控机制、调度机制等，并着重对ICIC技术进行了仿真，对比了不同ICIC方式下的网络性能指标及受限条件;通过TD-LTE规模试验中同频组网条件下的网络测试结果，验证了同频组网下的网络性能，充分肯定了同频组网的可行性，并证实了在多种抗同频干扰技术及对应的参数配置作用下，网络性能基本达到商用网络的KPI要求。但在研究中也得知，同频组网对于小区覆盖范围、小区边缘用户吞吐量及网络负载较重情况下的网络还有一定的影响，后续需要继续对算法及网络规划手段进行跟踪研究。 为了比较全面地说明同频组网的特点，本文通过对TD-LTE同频组网、异频组网和移频组网方案理论分析、仿真对比及实测结果对比研究，证实了同频组网高频谱效率的优势，但从其和异频组网、移频组网的对比看出，在网络性能方面还有一定的差距。同时探讨了在频率资源允许的情况下，异频组网和移频组网的适用场景和频率规划，对未来TD-LTE发展的不同阶段，各组网方式的引入和演进给出了建议。关键词:TD-LTE同频干扰同频组网异频组网移频组网第一章绪论1.1项目背景TD-LTE是国际电联采纳的LTE两大标准之一,作为3.9G的LTE标准存在FDD和TDD两种双工模式。TD-LTE标准是对TD-SCDMA标准一些关键技术的继承和进一步创新,其下行速率可达到100Mbps,上行速率达到50Mbps,是TD-SCDMA的50倍,大大提升了用户体验。TD-LTE最大的特点是支持使用非对称频段,而频谱资源如今已经成为了所有运营商寸土必争的战略资源,TD-LTE在灵活部署上的优势显露无遗。作为主要由中国提出的LTE标准,TD-LTE作为在国内先行的下一代移动网络技术演进标准,获得了业界广泛的关注和支持。从2008年开始,在国内就针对TD-LTE进行了大量的概念验证及小规模试验,并获得了比较全面而可靠的研究成果和应用经验。不同于TD-SCDMA网络的是,TD-LTE标准并是只在中国一枝独秀,在海外已经有多家运营商已经部署?或正在考虑部署TD-LTE商用网络。随着TD-LTE技术的不断发展及对网络验证的不断深化,组网技术逐步成为研究的重点方向之一。由于TD-LTE运营商获得的频谱资源有限,在保证用户体验和有效利用频谱的考虑下,使用同频组网是目前最佳的选择。从2011年5月肝始,M运营商在国内6个规模较大城市开展了 TD-LTE规模试验,每个城市约部署220个基站,由两家TD-LTE系统厂商共同建设,用于进行TD-LTE端到端的技术验证及专项课题研究。根据国家无线电管理委员会的批示,本次试验使用的频段如下:室内:2320?2370MHz,共 50MHz (E 频段)室外:2575?2615MHz,共 40MHz(D 频段,25702570MHz/2615MHz2620MHz 为频率保护带)为了更好地体现TD-LTE的技术优势,M运营商希望整网支持使用20MHz的载波带宽,以达到与FDD LTE同等水平的网络指标。但由于频率资源的限制,暂时无法部署3扇区20MHz的异频组网网络。在每个试验城市,每系统厂商最终各使用相邻的20MHz频段,在室外进行同频组网方式部署连片覆盖的测试区域。众所周知,同频组网不可避免地会带来系统干扰,因此对于同频组网技术的干扰分析与解决是TD-LTE能否成功的重中之重;同时,在不同频谱资源条件下,除了同频组网还有哪些组网方式,如何灵活组网也是未来网络部署?的重点研究课题。1.2项目任务及目标本文将就TD-LTE同频组网干扰与组网方案的研究与应用进行深入地探讨和分析验证。对于TD-LTE同频组网干扰,本文将重点分析干扰的分类及干扰的解决方案,并对其中的关键技术进行仿真验证,并将对同频组网时TD-LTE各信道的干扰进行分析和仿真,分析同频组网情况下各信道的受限情况。并通过规模试验网络的实际测试结果验证同频组网的可行性及干扰解决方案的实际效果。对于TD-LTE组网方案,本文将通过比较同频组网、异频组网和移频组网的特点,通过仿真及测试数据对比各组网方案的性能及应用场景,为今后的网络部署提供参考意见。1.3作者的主要工作本文分析了 TD-LTE同频组网下的干扰特性,并对关键干扰解决方案进行了实际仿真及现网测试,对同频组网可行性及性能进行了深入的分析与验证。同时,考虑到未来组网的可能性,本文同时对TD-LTE三种组网方案进行了深入的理论分析、系统仿真及实际测试,对不同组网方案的性能及部署应用进行了详细的对比和研究。1.4论文结构本文共分五章,内容安排如下:第一章绪论,介绍本课题的意义、任务、预期目标等;第二章TD-LTE系统同频干扰特性分析及解决方案,对TD-LTE系统干扰来源及分类、同频干扰解决方案进行了理论分析和仿真;第三章TD-LTE同频组网信道干扰及组网方案分析,对同频组网方案进行了介绍,并对同频组网下公共信道、控制信道和业务信道进行了干扰分析及仿真,同时重点介绍了 ICIC、功控技术在业务信道同频组网中的应用;结合TD-LTE规模试验中同频组网的测试数据,对同频组网可行性及具体性能指标进行了重点分析验证;第四章TD-LTE系统组网技术对比,介绍了同频组网、异频组网和移频组网的方案,并通过系统仿真及现网实测结果,对三种组网方案的应用及未来部署的场景给出了具体分析及应用策略;第五章结论与展望,对本文工作进行了总结,并对同频组网方案后续的研究方向和不同组网方案的实际部署提出了规划建议。第2章 TD-LTE系统同频干扰特性分析及解决方案第3章 TD-LTE采用时分双工(TDD)模式。TDD模式在不对称业务模式下有很大的灵活性,并且TD-LTE不需要对称频段。由于在每个无线帧内可半静态分配上下行时隙的比例,因此无论对于对称或者不对称业务都可有效的利用频谱资源。2.1 干扰的来源与分类2.1.1 TD-LTE干扰综述TDD系统的干扰和FDD系统的有所不同。在FDD系统中只在UE和BS之间存在干扰。下行信道对其它的下行信道、上行信道对其它的上行信道有干扰,但是上下行信道之间由于频段不同并有间隔,不会互相干扰。在TDD系统中,上下行使用同一个载波,所以除了与上述FDD相似的情况外,在所有可能UE和BS之间的关系路径上,都可能存在各种干扰,具体的情况和干扰的比例,取决于不同小区的同步偏差和巾贞结构中时隙分配比例。就空间路径而言,考虑如下一个两小区(单载波)模型,如图2-1所示:图2-1两小区的电波传播情况图中描绘了所有可能的双向电波传播组合,其中有些是正常通信的路径,包括UE11-BS1,UE12-BS1, UE2-BS2。另外存在的就是干扰电波传播的路径,小区内的情况有UE11-UE12不同用户终端之间的干扰;在小区间是BS1-BS2基站间的干扰。在小区的边界,用户终端受到的干扰来自邻小区的基站和用户端,同时其也对邻小区的基站和用户终端造成干扰,即BS1-UE2,UE12-UE2,UE12-BS2。还有一些不能在图2-1图形中直观反映的干扰情况,例如同一运营商采用不同载波或者不同运营商采用不同载波,那么还需要在上述基础上增加考虑邻频干扰。另外不同双工方式的系统,譬如TDD和FDD之间由于频谱划分中有相邻的频段,而在未来实际组网时可能同一区域会多系统共存,或者会采用分层小区以达到对“热点”地区的充分覆盖,或者运营商为节约成本可能采用双系统共站址设计,则系统间的干扰也需要考虑。2.1.2 TD-LTE干扰分类1.小区内干扰(单载波)在不考虑相邻蜂窝小区影响的前提下,单载波的小区内部主要考虑信号由于多传播、同步等原因形成的自身符号间干扰(ISI)、子载波间干扰(ICI);以及各信道在基带处理过程中,由于序列间相关性问题弓丨入的序列间干扰。(1) ISI 和 ICI在OFDM系统中,描述子载波间的正交性时,是认为一个积分周期中包含复指数的整数周期。而在时间色散信道条件下,如果OFDM符号中不插入CP,那么子载波间的正交性将或多或少有些影响,这是因为,针对一条径的解调相关间隔将与其他径的符号边界重叠(导致IS1)。这样的话,在一个积分周期中将不仅包括主径所对应的复指数的整数周期,也包括其他径所对应的复指数的分数周期,从而影响子载波间的正交性。这样的话,在时间色散信道条件下,不仅在一个子载波上存在符号间干扰,也存在子载波之间的干扰1】。LTE系统中对于ISI和ICI解决的方法是加入循环前缀(CP),使用循环前缀(CP)可以有效的降低符号间干扰以及子载波间干扰,如图2-2所示m:循环前缀的插入是指将OFDM符号的最后部分复制,并且插入到OFDM符号的前端。CP的插入使得OFDM符号的长度从7;变为7; +Tcp,其中7?是CP的长度。如图2-3所示,如果接收端的积分周期依旧为7; =1/A/,只要保证CP的长度大于时延扩展值,那么子载波间的JH交性将获得保证。图2-3循环前级的插入对于采用IFFT实现的OFDM调制,CP的插入实际上是将IFFT输出块中最后Wcp个采样点复制,并插入到块的前端,以使得IFFT输出的块长从变为N + NCP。插入CP可以有效的降低OFDM信号对于时问色散信道的敏感性,同时,也存在一些缺点:功率损失:只有7; /(r? +r?0的接收信号功率真正应用于OFDM解调;带宽损失:CP的插入使得OFDM符号速率降低,但是信号的传输带宽没有变换(2)序列间干扰本节内容对应与后续章节中控制信道和业务信道之间的干扰分析;包括扰码、M序列、ZC序列等3。2. 小区间干扰3. 区间干扰主要考虑载波间(同频邻频)干扰、远端干扰以及由于小区同步偏差引起的干扰。(1)同邻频干扰移动通信系统的干扰是影响无线网络接入、容量等系统指标的重要因素之一。它不仅影响了网络的正常运行,而且影响了用户的使用质量,是用户申告的主要原因之一。蜂窝系统的设计使频率可以实现灵活复用,无疑大大增加了系统的容量,但与此同时也不可避免地加大了系统干扰的复杂程度。这些干扰主要包括同频干扰、邻频干扰等。1)同频干扰同频干扰,即当无用信号和有用信号使用相同的载频时,无用信号对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。随着同频复用度的提升,小区的分裂使覆盖面积收敛,同时站间距缩小,从而导致同频干扰上升值高于接收机噪声和其它干扰,成为对小区的主要约束。这时移动无线电环境将由噪声受限环境变为干扰受限环境。当同频干扰的载波干扰比C/I小于信道解调门限时,就会直接影响到信道质量,甚至产生掉话或使用户无法建立连接。2)邻频干扰邻频干扰,即当干扰信号邻频功率落入接收邻频信号的接收机通带内造成的干扰。邻频干扰通常是由频率规划不当引起的,如果邻小区中存在与本小区工作信道相邻的信道或当小区覆盖范围超出设计规划时,均可能出现邻频干扰。邻频干扰带来接收机底噪的抬升,会直接影响到信道质量,甚至产生掉话或使用户无法正常接入。3)干扰分析的指标由于米用了正交频分多址复用OFDMA ( Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing Access)技术,LTE系统内不存在同小区的同频干扰,同频干扰都来自于邻小区。通过统计邻小区对本小区的千扰,统计每个用户链路的干扰水平,绘制干扰的CDF曲线,可以评估系统遭受的干扰水平。修改特定的系统参数,并进行系统仿真,将修改参数前后的干扰CDF曲线绘制在一起,可以评估系统参数对于系统干扰的影响。(2)远端干扰下图是TD-LTE自干扰原理图,图示中有三个距离不同的基站对目标基站产生了干扰。由于距离不同,时延不同,最终所产生的干扰影响区域有所不同,如图2-4所示:图2-4干扰示意图通常情况下基站间的信号传播受到衰减大于自由空间传播损耗,在GP对应的距离保护范围内,信号已经衰减至噪底以下。但宏小区条件下,2GHz频段附近的无线信号在空间的传播方式主要有自由空间传播、对流层的散射、无线信号的衍射、地表障碍物无线传播的影响、大气的折射等。此时,经过波导的无线信号将会对GP后的UpPTS乃至Subframe#2、Subframe#3产生干扰,而干扰距离可达几十到数百公里(3) 交叉时隙及同步偏差引起的干扰(4) 假设要分析的基站是BS1,当前的服务用户是用户终端UE1,那么BS1受到的干扰包括三个部分:本小区其它用户终端的干扰例如来自UE3的干扰信号,相邻小区用户终端例如UE2的干扰,相邻小区基站如BS2的干扰。如果各个基站严格同步并且倾结构一致,那么来自相邻小区基站的干扰就不存在;如果出现同步偏差那么就会带来一系列的干扰。表2-1基站2持续四个子顿受到来自基站1的千扰TD-LTE采用TDD方式,由前面的结构图可见,在无线信道时域中有定期重复的无线子顿,这个倾被分成若干个可以上下行转化传输的时隙,通过改变上下行时隙的转换点,TD-LTE可以适应从低比特速率的话音业务到高比特速率的因特网数据传输的全部对称或不对称的业务,但是由此可能带来不同相邻小区间由于上下行时隙分配比例不一致造成的干扰,如表2-1所示。由于基站发射功率大,天线位置高,且往往是视距传播,路径损耗很小,造成基站之间的干扰相当可观。受害的接收基站因为受到相邻基站的干扰持续时间不象帧同步偏差那样在几个符号那样微小的时间段内,最坏的情况可能是持续四个时隙的时间都受到干扰(见上图),这对受害小区的影响是很大的。另外在小区边界处,用户终端在接收时可能受到相邻小区用户终端发射电波的干扰。当然在实际应用时,不太可能出现上述的极端恶劣情况,但是,可以明确的是,由于时隙方向相反,造成的BS-BS干扰值是很大的,必须釆取措施避免。2.2 几种同频干扰的解决方法2.2.1干扰随机化小区间干扰随机化就是要将干扰信号转化为随机白噪声。需要注意的是,随机化处理并不能降低噪声能量,但可以使干扰的特性与“白噪声”近似,从而达到让终端可以依赖该处理产生的增益对干扰进行抑制。干扰随机化方法包括以下几种:1)加扰加扰技术是对各小区的信号在信道编码和信道交织后采用不同的伪随机扰码进行加扰,以获得干扰白化的效果。2)交织和跳频在不同小区采用不同的跳频(交织)图案进行跳频(交织)以取得干扰随机化效果。1.加扰LTE使用比特级加扰方法对小区间干扰进行随机化,即针对编码之后(调制之前)的比特进行加扰,如图2-5所示:加扰获得的干扰抑制增益与处理增益成正比,即编码速率。LTE物理层协议确定:1)对于BCH、PCH以及控制信令采用小区专用的加扰(Cell-specificscrambling),并且与物理层小区ID有一一映射关系;2)对于DL-SCH,采用 UE 专用(UE-specific scrambling)或者一组 UE 专用的加扰(UE-group-specific scrambling);3)对于MCH,采用小区组专用的加扰(Cell_group-specfic scrambling);4)对于上行,支持UE专用加扰(UE-specificscrambling),但是允许配置为使用或者不使用。对于各物理信道的加扰过程可以参考同频组网各章节。2.跳频目前LTE上下行都可以支持跳频传输,通过进行跳频传输可以随机化小区间的干扰。其中,除了物理广播信道(PBCH,Physical Broadcast Channel)之外,其他下行物理控制信道的资源映射均于小区id有关。物理下行共享信道(PDSCH,Physical Downlink Shared Channel)、物理上行共享信道(PUSCH,Physical UplinkShared Channel)以及物理上行控制信道(PUCCH,Physical Uplink ControlChannel)米用子帧内跳频传输,PUSCH可以米用子巾贞间的跳频传输。1) PUSCH 跳频2) PUSCH跳频是指在同一用户的数据在相邻子巾贞(时隙)或在同一 HARQ进程中的子巾贞(时隙)中占用的频率资源是不相同的,简卑说来就是用户数据占用的频率资源从一个频段跳至另一个频段。这样,一方面该用户在同一个HARQ进程中可能占用不同的频率资源,即相同的数据在不同的频段上进行发送,那么可以获得频率分集增益,提高用户的业务质量;另一方面相邻小区采用不同的跳频序列,则可以使相邻小区间的干扰随机化,避免了干扰。这里的干扰随机化是指尽量使干扰来自不同的用户,而不是來自同一用户,这样可以使干扰高斯白噪化。PUSCH支持的跳频模式有两种:倾间跳频和顿间/顿内跳频。跳频模式是一个小区级参数,由高层配置,因此应该根据小区的应用场景来确定该参数。根据传输时是否存在uplink grant信息,PUSCH分为两种跳频类型:typel和type2。typel基于uplink grant跳频,通过物理下行控制信道PDCCH(PhysicalDownlink Control Channel) DCI formatO 中的 NULJiop 比特来指示物理资源块PRB (Physical Resource Block)序号的偏移值,而type2是通过预先定义的序列来决定PRB序号的偏移值,这个预先定义的序列用小区ID来进行初始化,可以在一定程度上实现小区间干扰的随机化。2) PUCCH 跳频(a) 正交和循环序列跳频(b) IH交序列(Orthogonal cover)跳频:为了随机化干扰,在PUCCH的发送过程中,对于Orthogonal Cover采用“逐slot”的跳频。在小区间采用eel丨specific的“逐slot”的Orthogonal cover set跳频,机化小区间干扰。在小区内采用UE specific的subframe内“逐slot”的Orthogonal Cover重新映射,以随机化小区内干扰。循环序列(Cyclic shift)跳频:为了随机化干扰,在PUCCH的发送过程中,对于Cyclic Shift采用“逐符号”的跳频。在小区间米用cell specific的“逐symbol”的Cyclic Shift跳频,以随机化小区间干扰在小区内米用UE specific的subframe内“逐slot”的Cyclic Shift重新映射以随机化小区内干扰。(b)PUCCH的跳频传输UCCH支持不同的PUCCH format,不同format在进行资源映射时按照如图4-2所示的原则映射,其中formats2/2a/2b占用频带最边缘部分,如果最后一个用于format 2/2a/2b的PRB上的循环序列资源没有完全使用时,将在间隔2个循环移位序列之后在该RB上复用PUCCH formatl/la/lb,如图2-6所示:图2-6上行常规子帕中PUCCH的资源映射由资源映射方式可以看出,在确定PUCCH的资源索引号后,按照得到的M值在同一子顿内,PUCCH资源进行在时隙间的跳频传输。3) SRS跳频(a) RS信号跳转机制的设计在RS信号序列设计中考虑的一个很重要的因素就是序列之间的干扰。LTE系统最终釆用ZC序列來生成参考信号,但仅依赖于ZC序列的设计并不能保证在任何情况下都能有效地抑制序列间的相互干扰。一方面,由于某些不同长度的ZC序列之间的互相关性可能恶化,可能在同步系统(相邻小区下行时钟同步)中造成严重的小区间干扰,这种干扰也可能出现在同一小区内不同UE的SRS之间。另一方面,在异步系统(相邻小区下彳丁时钟不问步)中,ZC序列还可能造成对相邻小区上行数据的干扰,如图2-7所示:图2-7序列组的双层Hopping/Shifting图案为了解决上述问题,LTE采用了序列跳转(Hopping)技术,即一个UE不是固定的使用一个ZC序列,而是不停的在不同的ZC序列组、ZC序列或一个ZC序列的不同循环移位版本之间跳转。(b) UE的SRS跳频传输LTE标准规定,对于用户的SRS传输而言,可以釆用跳频的方式也可以采用非跳频的方式;对于跳频的SRS传输而言,可以通过相关参数的配置来确定各UE的SRS跳频带宽,即是在系统调度带宽内跳频传输还是部分带宽范围内进行跳频传输,跳频带宽的选择主要取决于信道环境的变化快慢和系统负荷的程度。而对于负荷相对较轻的、低速场景,此时对于UE的数据传输一种较好的选择是进行全带宽范围内的频率选择性调度,为了支持全带宽的频率选择度,需要在整个系统调度带宽范围内进行SRS传输。考虑到在实际的系统中UE的发射功率是受限的,处于小区边缘的用户通常不能一次完成全带宽范内SRS传输,因此需要通过跳频的方式在全带宽范围内进行SRS传输。由于这种场景下采用全带宽范围内跳频的SRS传输能够在一定范围内保证CQI更新频率的要求,因此采用SRS跳频的方式能带来一定的增益。对于高负荷或高速场景,由于系统内狠在很多用户需要进行SRS传输,因此SRS传输的负荷很大,或者与CQI更新频率要求很高,此时若采用全带宽范围内的SRS跳频传输以支持全带宽的频率选择性调度,则很难保证全带宽CQI信息更新频率的要求,因此,在这种场景下,采用部分带宽的SRS传输或集中式的SRS传输能获得更好的系统平均吞吐量性能。在对UE的SRS传输带宽及跳频带宽进行配置后,可以按照小区专属参数SRS带宽配置对应的预定义码树结构确定各次跳频传输的频域位置,其详细描述请参见TS 36.211的5.5.3.2节。3. HARQ1) FEC,ARQ 以及 HARQ利用无线信道的快衰特性可以进行信道调度和速率控制,但是总是有一些不可预测的干扰导致信号传输失败。在此情况下需要使用前向纠错编码(FEC)技术。FEC基本原理是在传输信号中增加冗余,即在信号传输之前在信息比特中加入校验比特(Parity bits)。另外一种解决传输错误的方法是使用自动重传请求(ARQ)技术。在ARQ方案中,接收端通过错误检测(通常为CRC校验)判断接收到的数据包是正确性。如果数据包被判断为正确的,那么说明接收到的数据是没有错误的,并且通过发送ACK应答信息告知发射机;如果数据包被判断为错误的,那么通过发送NACK应答信息告知发射机,发射机将重新发送相同的信息。在实际应用中,大部分通信系统将FEC与ARQ结合使用,称为混合自动重传请求,即Hybird ARQ,简称HARQ。HARQ使用FEC纠正所有错误的一部分,并通过错误检测判断不可纠正的错误。错误接收的数据包被丢掉,接收机请求重新发送相同的数据包。LTE的采用多个并行的停等HARQ协议。其基本思想在于同时配置多个HARQ进程,在等待某个HARQ进程的反馈信息过程中,可以继续使用其它的空闲进程传输数据包。确定并行的进程数目要求保证最小的RTT中任何一个传输机会都有进程使用。HARQ可分为同步和非同步HARQ;如果重传在预先定义好的时间进行,接收机不需要显示告知进程号,则称为同步HARQ协议;如果重传在上一传输之后的任何可用时间上进行,接收机需要显示告知具体的进程号,则称为异步HARQ协议HARQ又可以分为自适应的(adaptive)与非自适应的(non-adaptive)。自适应HARQ指重传时可改变初传内容的部分或全部属性,如调制方式、资源分配等,其中属性的改变需要信令 销用于额外通知。非自适应的HARQ是指重传时改变的属性是发射机与接收机实现协商好的,不需要额外的信令通知。LTE的下行采用自适应的HARQ,上行同时支持自适应和非自适应的HARQ:非自适应的HARQ仅仅由物理HARQ指示信道PHICH (Physical HARQIndicator Channel)中承载的NACK应答信息来触发;自适应的HARQ通过PDCCH调度来实现,即基站发现接收输出错误之后,不反馈NACK,而是通过调度器调度其重传所使用的参数。2) HARQ与软合并前面介绍的HARQ机制中,接收到的错误数据包都是直接被丢掉的。虽然这些包不能够独立的正确译码,但是其依然包含一定的信息,可以使用软合并来利用这部分信息。即,将接收到的错误数据包保存在存储器中,与重传的数据包合并在一起进行译码。使用软合并的HARQ可以分为CC合并(Chase Combining)以及IR合并(Incremental Redundancy)。使用CC合并时,重传包含与初始传输相同的编码比特集合,每次重传之后,接收机使用最大比合并对每一个接收到的比特与前面传输中的相同比特进行合并,然后送到译码器进行译码。而使用IR合并时,每一次重传不一定与初始传输相同。LTE支持使用IR合并的HARQ, 般IR合并通过对编码器的输出进行打孔获得不同的冗余版本,通过多次传输以及合并之后的降低整体的编码速率。2.2.2干扰抑制IRC如图2-8所示,对于下行方向,基站可以使用发射端波束赋形技术将波束对准期望用户的方法,这样的好处是:提供期望用户的信号强度;降低信号对其他用户的干扰;如果波束赋形时已经知道被干扰用户的方位,可以主动降低对该方向福射能量:发射端波束赋形是一种利用发射端的多根天线降低用户间干扰的方法。接收端也具备多根天线时,也同样可以利用多根天线降低用户间干扰,其主要的原理是通过对接收信号进行加权,抑制强干扰,称为IRC (Interference RejectionCombining)o如图2-9所不,以下行方向为例进行说明,存在一个0标基站和一个干扰基站,那么接收端的信号可以表示为:2.功率控制LTE系统中的功率控制分为下行功率分配和上行功率控制。下行功率分配决定每资源单元的能量(EPRE,energy per resource element)。资源单元的能量是指插入CP之前的能量,同时也表示在所使用的某种调方式下所有星座点上的平均能量。下行功率分配涉及基站如何将总的发射功率分配给不同的下行信道/信号,这些下行信道/信号包括有:广播信道、控制信道、共享信道、参考信号等。下行功率分配的目标是在满足用户接受质量的前提下尽量降低下行信道的发射功率,达到减轻小区间干扰的目的,如图2-12所示。LTE上行功率控制决定用来发送某物理信道的一个DFT-S-OFDM符号上的平均功率。上行链路需要进行功率控制的信道/信号包括有:共享信道、控制信道、探测参考信号、随机接入信道等。包括小区间功率控制(Inter-Cell PowerControl)和小区内的功率控制(Intra-Cell Power Control)。小区内功率控制的主要目的是补偿路损和阴影衰落,节省终端的发射功率,尽量降低对其他小区的干扰,使得loT (Interference rise over thermal noise)保持在一定的水平之下。小区间功率控制的主要目的是通过告知其它小区本小区loT信息,控制本小区loT的方法,这是因为本小区的loT主要来自于其它小区的干扰,如果干扰功率己经超过了 loT水平(超载),通过降低本小区的终端发射功率是无法降低本小区的loT的。LTE己经确定小区之间在X2接口上交换过载指示信息01,用来进行小区间的上行功率控制。具体详细过程可参考后续功率控制相关章节。2.2.3干扰避免ICIC小区间干扰协调的基本思想是以小区间协调的方式,对下行资源管理设置限制,包括限制哪些资源可以调度,或者对资源块内限制其发射功率等。小区间干扰协调可以采用静态的方式,也可以采用半静态的方式。静态的小区间干扰协调不需要标准支持,属于调度器的实现问题,可以分为频率资源协调和功率资源协调两种,这两种方式都可以改进接收机的接收载干比(C/I),进而改进服务小区边缘的数据传输速率和覆盖情况。如果将干扰协调与传统的频率复用进行对比,则可以将干扰协调看作软频率复用(Soft Frequency Reuse)或者部分频率复用 FFR(Fractional Frequency Reuse)。一种频谱资源协调方法如图2-13所示5,频率资源被划分为3部分,其中位于小区中心的用户可以使用所有的频率资源,而位于小区边缘的用户只能使用部分频率资源,并且相邻小区的小区边缘用户所使用的频率资源不同,从而降低小区边缘用户的干扰。图2-13频率资源协调一种功率资源协调方法如图2-14所示,频率资源被划分为3部分,所有小区都可以使用全部的频率资源,但是不同的小区类型只允许一部分频率可以使用较高的发射功率,比如位于小区边缘的用户可以使用这部分频率,而且不同小区类型的频率集合不同,从而降低小区边缘用户的干扰。图2-14功率资源协调目前LTE标准中支持小区间干扰协调方案包括:上行基于HII和01的ICIC方案和下行基于RNTP的ICIC方案。对于上行ICIC而言,HII用于预测在来一段时间内本区将在哪些PRB上发生高干扰;01用于指示各个PRB上的实时干扰情况。下行采用的1CIC,仅仅指示某个PRB是否在将来一段时间内将被使用,还是长期没有任何信号发射,即通过X2接口针对每个PRB采用1 bit指示该PRB上的最大发射功率是否在将来一段时间内将超过某个门限值(如该门限是基站出厂额定发射功率的x%),采用事件触发的方式传送,更新周期不小于200ms多天线技术利用公共天线端口,LTE系统可以支持eNB侧单天线发送(Ix),双天线发送(2x)以及4天线发送(4x), UE侧使用2天线接收。不同的天线配置可以提供不同级别的传输分集和空间复用增益,网络侧需要根据当前的传播环境和用户负载决定合适的天线配置。利用专用天线端口以及灵活的天线端口映射技术,LTE系统可以支持更多发送天线,比如8天线发送,从而提供传输分集、空间复用增益的同时,提供波束赋形增益。目前,LTE系统上行仅支持单天线发送。(1)发送分集多输入多输出MIMO (Multiple Input Multiple Output)技术可以产生多个并行信道,如果使用在这些并行信道上传输相同的数据,以提高信号传输可靠性的话,就称为发送分集技术。一般来说发送分集要求发送使用多根天线进行发送一个编码的数据流,要多根发送天线之间具有低的相关性,不对接收端的天线数目和相关性进行要求。LTE的两天线使用SFBC,4天线使用SFBC+FSTD。对于发送分集来说,层的数目等于天线端口的数目。1) STBC/SFBC空时/频块码(STBC/SFBC)属于一种 环发送分集技术。最简单也是最优的空时/频块码是为2根天线发送设计的Alamouti code,可以获得全部的分集增益,并保证编码速率为1。对于一个数据流中的两个数据符号si和s2,可以经过如下的Alamouti编码过程进行传输:量1和2分别在不同的频率进行发送,则称为SFBC。Alamouti code般要求在两个时刻或者两个频率上传输所经历的信道是不变的,这样空间信道矩阵才可以写成一个向量的形式。在发送天线大于2的情况下,同样存在正交的空时/频块码,但是无法保证编码速率为1。对于发送天线大于2的空时/频块码这里不再赘述。TSTD/FSTDTSTD (时间切换传输分集)指当发射端存在多根天线时,在不同的时间上进行天线的切换;而FSTD (频率切换传输分集)是指当发射端存在多根天线时,在不同的频率上进行天线的切换。二者的方案如图2-15所示:图2-15天线切换分集示意图空间复用在发送分集原理中曾提到MIMO技术可产生多个并行信道,如果在各并行信道上发送不同的数据,以提高传输的有效性的话,就称为空间复用。空间复用主要分为 环空间复用和闭环空间复用。二者的主要区别在于:开环空间复用不需要事先获取信道的状态信息,在发送信号在发送端不进行预处理操作而直接从多根天线上发送出去;闭环空间复用需要事先获取信道的状态信息,并将多个待发送的数据流在进行预编码(pre-coding),从而将天线域的处理转化为beam域的处理,此时针对beam域处理,可以将预编码操作看作信道的一部分,从而与真实信道合并在一起构成等效的信道矩阵。Beam域处理的一个好处是可以为每个beam分配一个导频符号,而不必为每一个发送天线分配一导频符号,从而在天线数目较多时节省导频的开销。如果预编码操作能够保证多个beam之间彼此正交或者相关性较低,则可以在发送之初就消除了 beam之间的干扰,从而简化接收端的操作。空间复用时,可以按照多个发送的数据流是统一进行信道编码还是独立进行信道编码的,可以将空间复用分为单码字(SCW: Single Codeword)的空间复用和多码字(MCW: Multiple Codeword)的空间复用,如图2-16所示。SCW:多数据流统一信道编码;MCW:多数据流独立信道编码。图2-16 SCW和MCW方案描述(3)波束赋形(发端)波束赋形是通过调整天线中各阵元的激励,为用户形成特定指向的波5形状的多天线技术。对于波束赋形来说,如果只对期望用户的方位进行波束赋形,可以降低该波束对其他用户的干扰(只要其他用户不在该波束范围内);如果知道其他用户的方位,还可以通过波束赋形权值的计算,将波束的零点对准其他用户的方位,从而进一步降低对其他用户的干扰。波束赋形技术可以看作预编码(pre-coding)的一个特例。当pre-coding只针对一个数据流进行操作并发送,要求发送天线阵列的间距较小。波束赋形技术是LTE系统的可选项,由天线端口 5支持。2.3 本章小结本章通过对TD-LTE帧结构分析,研究了 TD-LTE系统同频干扰特性。TD-LTE系统内干扰分为小区内干扰和小区间干扰,其中前者主要包括ISI、ICI和序列间干扰,后者主要包括同邻频干扰、远端干扰、交叉时隙及同步偏差引起的干扰。而同频干扰是影响同频组网的重要因素,也是TD-LTE系统中研究的重要问题。 本章同时对TD-LTE系统同频干扰解决方案进行了逐一介绍。主要包括干扰随机化、干扰抑制、干扰避免等,具体的实现方法可以有加扰、跳频、HARQ、收端IRC、动态调度、功率控制、ICIC、多天线技术等。下文将就这些抗干扰方案在同频组网系统中的应用进行分析和验证。第五章结论与展望5.1 论文工作总结 本文围绕TD-LTE系统同频千扰特性及解决及解决方案、同频组网控制信道、业务信道干扰分析仿真和解决方案以及同频组网、异频组网和移频组网方案的特点、适用场景和组网应用建议进行了研究与验证。 下面对本课题主要结论予以阐述:对干扰类型及解决方案进行了介绍。通过对TD-LTE帧结构分析,研究了 TD-LTE系统同频干扰特性,并提出了干扰随机化、干扰抑制和干扰避免的集中抗同频干扰解决方案;对控制信道同频组网针对上/下行不同物理控制信道分别进行了研究,分析了各物理控制信道的帧结构、码序列特征,给出了各控制信道同频干扰下的仿真结果及结果分析;业务信道同频组网对数据、导频的千扰进行了研究,实现业务信道同频组网的方案主要包括ICIC机制、功控机制、调度机制等,并着重对ICIC技术进行了仿真,对比了不同ICIC方式下的网络性能指标及受限条件;通过TD-LTE规模试验中同频组网条件下的网络测试结果,验证了同频组网下的网络性能,充分肯定了同频组网的可行性,并证实了在多种抗同频干扰技术的作用下,网络性能指标良好,已经基本达到商用网络的KPl要求。但在研究中也得知,同频组网对于小区覆盖范围、小区边缘用户吞吐量及网络负载较重情况下的网络性能还有一定的影响,后续需要继续对算法及网络规划手段进行跟踪研究。通过对TD-LTE同频组网、异频组网和移频组网方案理论分析、仿真对比及实测对比研究,证实了同频组网高频谱效率的优势,但从其和异频组网、移频组网的对比看出,在网络性能方面还有一定的差距。在频率资源允许的情况下,建议灵活使用不同的组网方式以兼顾频谱效率和网络性能,并对未来TD-LTE发展的不同阶段,各组网方式的引入和演进给出了建议。5.2 问题与展望本文通过一系列的干扰分析,提出了多种TD-LTE系统同频组网方式下的抗干扰方案,同时在系统中加以应用,通过系统仿真和实际的现网测试中得到了较好地验证。事实证明,同频组网方案在TD-LTE网络中是可行的,同时也是TD-LTE频率资源有限的情况下最优的组网方案,其各项网络性能关键指标均达到了商用网络的性能。但同频组网并非完美无缺,在今后的研究中,将继续对同频组网对小区边缘用户吞吐量的改善、同频组网对负载较重的情况下网络性能的提升及同频组网网规网优相关问题进行深入研究。根据GSA的报告,截止2011年10月12円,全球已有87个国家的248家运营商计划投资LTE (包括LTE-FDD与TD-LTE)。其中66个国家的185家运营商,承诺将部署LTE商用网络,另有21个国家的63家运营商,部署预商用LTE试验网。目前已有21个国家中的35个LTE网络商用(3